0207; 08.04.2009, wykład nr 7., - Cykl komórkowy.; Paul Esz
Cykl komórkowy - jest to szereg zamian biofizycznych i biochemicznych komórki zachodzących między końcem
jednego a początkiem następnego podziału komórki.
Rys historyczny:
–
1963 rok Howard i Pele wprowadzają pojęcie cyklu komórkowego.
–
1873 rok W. Majzel opisał podział jądra w komórkach zwierzęcych
–
1884 rok A. Strasburger autor terminów: profaza, metafaza, anafaza
–
1878 i 1879 rok W. Fleming wprowadził do piśmiennictwa nazwę mitoza (1878) i chromatyna (1879)
–
1888 rok W. Waldeyer opisał chromosomy
–
1952 rok Mazia i Dan wyizolował nietknięty aparat mitotyczny
–
1971 rok Yoshio i Smith odkryli MPF (czynnik indukujący mitozę)\
–
2001 rok Hartwell, Nurse, Hunt otrzymali nagrodę Nobla za badania nad kinazami i cyklinami
Faza G1
–
trwa od 6-12 godzin
–
jest przerwą między zakończeniem podziału i początkiem fazy S
–
przygotowanie komórki do podwojenia materiału genetycznego
–
synteza RNA, enzymów, białek, węglowodanów i tłuszczów
–
charakterystyczna dla danego typu komórki
–
aktywność kompleksu CDK2
–
pod koniec aktyna A aktywuje CDK2 i tworzy kompleks, który jest niezbędny do zainicjowania replikacji
Faza S
–
trwa od 6-8 godzin
–
replikacja DNA, który podwaja swoją zawartość z 2n do 4n
–
zwiększenie rozmiarów jądra, chromatyna pozostaje zbitą masą
–
synteza DNA ma początek w kilkunastu tysiącach miejsc cząsteczek DNA jądra, w punktach startowych
replikacji DNA
–
DNA euchromatyny jest replikowany wcześniej, a heterochromatyny później
–
z każdego punktu startowego synteza DNA odbywa się dwukierunkowo z prędkością 10-100 nukleotydów na
sekundę
–
replikacji podlega cały DNA jądra i większość cząsteczek mitochondrialnego DNA
–
syntezę DNA przeprowadzają kompleksy enzymatyczne replikony, które są składnikami macierzy jądra
–
głównymi składnikami replikonów są helikaza oraz polimeraza alfa i delta
–
helikaza rozszczepia podwójną helisę DNA i wytwarza widełki replikacyjne
–
synteza DNA jest prowadzona przez polimerazy DNA alfa i delta
–
koenzym polimerazy DNA delta to PCNA (odpowiedzialne za proliferację komórki)
–
synteza DNA telomerów dokonuje enzym telomeraza
Faza G2
–
synteza białek związanych z regulowaniem procesu podziałowego
–
sprawdzenie czy ilość DNA została prawidłowo podwojona
–
komórka nadal rośnie wraz ze wszystkimi jej organellami
–
pod koniec G2 zaczyna się kondensacja chromatyny oraz synteza błony komórkowej, która jest
zużywana w czasie cytokinezy
–
pod koniec fazy G2 tworzy się czynnik MPF (składa się z CDK1 oraz cykliny B)
Faza M
–
trwa ok. 1 godzinę
–
obejmuje dwa etapy: podział jądra – kariokinezę oraz podział cytoplazmy – cytokinezę
–
istnieją dwa typy fazy M: mitoza w komórkach somatycznych i mejoza w komórkach rozrodczych
–
w czasie kariokinezy zachodzi dalsza kondensacja chromatyny i utworzenie chromosomów mitotycznych oraz
rozdział każdego chromosomu na dwie chromatydy i ich przemieszczenie do komórek potomnych
–
procesom tym towarzyszy wytworzenie a następnie rozpad wrzeciona podziałowego oraz zanik, a następnie
odtworzenie otoczki jądrowej
Faza G0
–
komórki, które się nie dzielą, wycofują się z fazy G1 albo G2 do fazy G0
–
decyzja i wejściu w fazę G0 najczęściej nie jest nieodwracalna
–
komórka może wyjść z fazy G0 i skończyć podział
–
komrki G0 mogą się dzielić ponownie po dostarczeniu im odpowiednich substancji odżywczych i czynnika
wzorstu
Komórki prawidłowe in vitro
–
komórki prawidłowe in vitro
Komórki nowotworowe transformowane wirusem in vitro
–
nie mogą zatrzymać wzrostu więc syntetyzują DNA przez kilka cykli i obumierają
Komórki transformowane nowotworowe czynnikami chemicznymi in vitro
Znaczenie praktyczne
–
przejście komórek z fazy G1 do G0 np. w leczeniu nowotworów
–
komórki G0 są niewrażliwe na cytostatyki (znajdują się w większości nowotworów), eliminuje się tylko z
nowotworu komórki znajdujące się w cyklu, kom. G0 pozostają nieuszkodzone – po pewnym czasie wchodzą
w c, kom. dają początek wznowie nowotworowej
Ze względu na charakter cyklu komórkowego wyróżnia się:
–
komórki międzymitotyczne (labilne, zmienne): zachowują zdolność podziału (dzielą się w ciągu całego życia)
np. komórki postawne warstwy rozrodczej naskórka, nabłonka krypt jelitowych, komórki szpiku kostnego,
węzłów chłonnych
–
komórki międzymitotyczne dojrzewające – łatwo podlegają wpływom środowiska i dojrzewające np. komórki
kolczyste naskórka czy spermatocyty
–
komórki pomitotyczne – utraciły odwracalnie i nieodwracalnie zdolność do podziału i po mitozie stają się
„bezpotomne”; należą tu komórki bardzo wyspecjalizowane: nerwowe, wydzielnicze; Nefrocyty czy
hepatocyty - po dużym uszkodzeniu uzyskują zdolność do podziału (komórki pomitotvczne odwracalne lub
populacja wzrastająca-stable cells)
Regulacja cyklu komórkowego
–
cykl jest inicjowany i regulowany przez wiele białek i ich kompleksy
–
geny cyklu, których produkty białkowe pobudzają cykl to protoonkogeny, a te których produkty białkowe
hamują cykl nazywamy genami supresorowymi
–
cykl komórkowy jest regulowany przez kinazy, cytokiny, inhibitory kinaz, cyklazy
–
regulacja cyklu odbywa się przez uruchamianie kaskadowych reakcji fosforylacji i defosforylacji
–
Fosforylacja – katalizowana przez kinazy białkowe
–
Defosforylacja – przez fosfatazy
–
Substraty kinaz – białka jądra i cytoplazmy
–
Tyrozyna i treonina – najczęściej fosforylowane aminokwasy tych białek
Regulacja fazy G1/S
–
odbywa się przez kontrolę przechodzenia komórki z G1 do S oraz kontrolę zakończenia syntezy DNA
–
ważną rolę w regulacji przejścia G1 do S odgrywa: kompleks białka p34-cyklina A (nazywamy kinazą fazy S)
i białko P110Rb (może wiązać cyklinę A blokując jej wiązanie do p34), które może blokować przejście przez
punkt G1/S – hamować proliferację
–
białko p34 to kinaza CDK2
Cykliny aktywują kinazy cyklino-zależne.
Przykładem CDK2 cyklina 2 (jest niezbędny do regulacji replikacji DNA)
Zadania kompleksu CDK2 cyklina 2
–
jest niezbędny do regulacji replikacji DNA
–
kontrola przejścia z fazy G2 do M
Białko Rb (p110Rb)
–
inhibitor cyklu
–
może blokować przejście przez punkt G1/S
Białko p53
–
inhibitor cyklu
–
strażnik genomu
–
występuje w formie zmutowanej w około 50% nowotworów
Białko p34 (CDK2)
–
kinaza fosforylująca reszty seryny i treoniny wielu białek
–
ilość cząsteczek p34 jest stała podczas cyklu komórkowego
–
zaliczane jest do grupy kinaz CDK (kinaza zależna od cykliny) – przejawia aktywność kinazy, kiedy
występuje w kompleksie z cykliną
Punkty kontrolny G1/S
–
gen kodujący białko p53 chroni komórkę przed przemianą w komórkę nowotworową
–
uszkodzenie DNA prowadzi do pobudzania kilku kinaz, które potrafią przyłączyć grupy fosforanowe do p53,
który jako czynnik transkrypcyjny uruchamia odczytywanie innych genów regulujących cyklu np. p21
–
p21 odpowiada za zatrzymanie cyklu komórkowego na granicy faz G1/S
Punkt kontrolny replikacji DNA
–
występuje w fazie S
–
rozpoznaje
Punkt kontrolny G2/M
–
czynnik MPF czynnika indukujący mitozę – heterodimer CDK1/cyklina B (kinaza fazy M)
–
defosforylacja pre-MPF w aktywny MPF - powoduje przejście cyklu komórkowego z fazy G2 do fazy M
–
kompleks kinazy CDK1 i cykliny B – indukujeprzejście
Punkt kontrolne w mitozie
–
punkt kontrolny profaza/metafaza
–
punkt kontrolny wrzeciona mitotycznego (metafaza/anafaza)
–
punkt kontrolny pomiędzy anafazą i telofazą
Cykliny
–
cykliny A,B (zwane mitotycznymi) oraz C, D i E
–
cyklina A syntetyzowana de novo od fazy G1 – jej stężenie rośnie w miarę upływu cyklu
–
cyklina C,D i E syntetyzowana są w tym samym czasie, cyklina B w fazie G2
–
maksymalne stężenie cyklin w metafazie/anafazie mitozy, następnie spada poprzez trawienie poprzez proteazy
Dokończenie cyklin oraz paru innych rzeczy będzie na przyszłym wykładzie...